1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板Nd：YAG脈沖激光焊焊接參數(shù)研究

陶萬(wàn)勇 徐小明 王璐

摘? 要：針對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板縫的脈沖激光焊接進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，焊縫熔深與激光功率呈線性關(guān)系;0離焦時(shí)適合1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板的激光焊接參數(shù)范圍為：脈寬2-10ms，功率0.5-2kW，在此參數(shù)范圍內(nèi)焊縫無(wú)飛濺。當(dāng)功率大于2kW時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)離焦量控制焊縫飛濺。

關(guān)鍵詞：脈沖激光焊;不銹鋼;熔深

Abstract： The pulsed laser welding of 1Cr18Ni9Ti stainless steel sheet seam was studied. The results show that there is a linear relationship between weld penetration and laser power， and the range of laser welding parameters suitable for 1Cr18Ni9Ti stainless steel sheet at 0 negative focal shift is： pulse width 2-10ms， power 0.5-2kW， and there is no spatter in the range of these parameters. When the power is greater than 2kW， the weld spatter can be controlled by adjusting the negative focal shift.

引言

不銹鋼由于其良好的高溫抗氧化性、熱穩(wěn)定性、易加工成形和優(yōu)良的抗腐蝕性[1]，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶等領(lǐng)域。在航空領(lǐng)域，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部組件的制造中，常常需要焊接成形[2，3]，激光焊因具有高能密度、深穿透、高精度、變形量小等優(yōu)點(diǎn)[4]，特別適用于薄板的焊接[5-8]。目前對(duì)薄板激光脈沖焊接的研究主要集中在接頭強(qiáng)度的比較，激光焊工藝參數(shù)對(duì)熔深、熔寬的影響研究較少，本文采用脈沖激光焊，針對(duì)2mm不銹鋼薄板，研究功率、脈寬等對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，以對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)提供試驗(yàn)和理論支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

焊接試驗(yàn)選用的是大族CFJH300激光焊機(jī)，具體參數(shù)如下：額定功率為2kW的Nd：YAG固體激光器，輸出波長(zhǎng)為1.06μm的連續(xù)波激光，激光束由內(nèi)徑為0.6mm的光纖傳輸，經(jīng)焦距為200mm的透鏡聚焦輸出激光束焦點(diǎn)半徑為0.3mm，同軸保護(hù)氣為Ar氣體。

試驗(yàn)材料為100*20*2mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，本試驗(yàn)主要研究激光功率和脈寬等參數(shù)對(duì)焊縫熔深的影響，因此為了減少接頭形式及其尺寸等因素的影響，本文采用對(duì)接（如圖1所示）方式，試驗(yàn)前將試驗(yàn)件用酒精擦洗干凈，通過(guò)改變激光功率、脈寬、離焦等焊接參數(shù)的變化研究其對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光功率、脈寬對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

圖2是脈寬為5ms時(shí)，功率的改變對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板焊縫形貌的影響。從焊縫形貌可以看出，當(dāng)激光功率較小時(shí)，試樣未焊透，焊接模式為熱導(dǎo)焊;隨著激光功率的增大，逐漸焊接模式轉(zhuǎn)變?yōu)樯钊酆福?dāng)功率增加到一定水平，焊縫產(chǎn)生飛濺，飛濺量會(huì)隨著功率的增加而變多產(chǎn)生深熔深空殼。0離焦時(shí)，通過(guò)對(duì)功率范圍為0.5～5kW＼脈寬范圍為1～12ms內(nèi)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并觀察焊縫形貌，發(fā)現(xiàn)脈寬范圍在0～10ms范圍內(nèi)，焊縫的熔深會(huì)隨著脈寬的增加而變大，當(dāng)脈寬大于10ms后，熔深基本無(wú)變化，但脈寬為1ms時(shí)，焊縫基本呈現(xiàn)兩種形態(tài)：熱傳導(dǎo)半圓型或焊點(diǎn)無(wú)料型，由于其熔深遠(yuǎn)小于熔寬，不合適焊接選用。從圖3中可以看出，當(dāng)脈寬小于10ms時(shí)，焊縫熔深與激光功率呈正比，但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率大于2kW時(shí)，焊縫會(huì)發(fā)生飛濺。本文認(rèn)為0離焦時(shí)適合1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄板的激光焊接參數(shù)為：脈寬2-10ms，功率0.5-2kW，在此參數(shù)范圍內(nèi)焊縫無(wú)飛濺，可達(dá)最大熔深約為1500μm。

2.2 離焦量對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

為進(jìn)一步研究離焦量對(duì)焊縫熔深的影響，試驗(yàn)選取功率5kW、4kW、3kW、2.5kW、2kW;脈寬分別為8ms、4ms，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中保持負(fù)離焦，且負(fù)離焦量逐步加大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，負(fù)離焦時(shí)，脈寬對(duì)焊縫是否發(fā)生飛濺影響不大，功率對(duì)焊縫是否飛濺有顯著的影響，即負(fù)離焦時(shí)焊縫熔深的主要影響因素是激光功率，且焊縫熔深隨著功率的增加而變大。圖4是當(dāng)功率大于2kW時(shí)，焊縫剛好無(wú)飛濺時(shí)功率與焊縫熔深的關(guān)系圖，從圖中可以看出，負(fù)離焦時(shí)隨著功率的增加，熔深呈線性增長(zhǎng)。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，增加焊接功率，通過(guò)控制負(fù)離焦量，可實(shí)現(xiàn)焊縫大熔深且無(wú)飛濺，圖5是無(wú)飛濺時(shí)功率與負(fù)離焦量最小值的關(guān)系圖，通過(guò)擬合，得出焊縫無(wú)飛濺時(shí)，功率與最小離焦量的關(guān)系，其公式為：

I=（7.92P-14.166）1/2-1.086? ? ? ? ?（1）

式中，P為激光功率，單位為kW;I為離焦量，單位為mm。通過(guò)公式計(jì)算，當(dāng)焊接功率大于1.94kW時(shí)，需要負(fù)離焦才能確保焊縫無(wú)飛濺。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）激光功率對(duì)焊縫熔深影響較大，焊縫熔深與激光功率呈線性關(guān)系。

（2）0離焦時(shí)適合1Cr18Ni9Ti不銹鋼的激光焊接參數(shù)為：脈寬2-10ms，功率0.5-2kW，在此參數(shù)范圍內(nèi)焊縫無(wú)飛濺，可達(dá)最大熔深約為1500μm。

（3）當(dāng)功率大于2kW時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)離焦量控制焊縫飛濺，最小負(fù)離焦量與激光功率呈指數(shù)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)，第2卷，材料的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]馬卓.先進(jìn)焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（03）：122.

[3]張宏武.焊接技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（27）：133.

[4]陳彥賓.現(xiàn)代激光焊接技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2005：2-3.

[5]孫希慶，洪永昌，張武.DC04薄鋼板的脈沖激光焊接工藝研究[J].電焊機(jī)，2010，40（5）：130-134.

[6]馬廣義，吳東江，王占宏，等.脈沖激光焊接對(duì)超薄HastelloyC-276焊縫成形的影響[J].中國(guó)激光，2011，38（6）：1-5.

[7]李啟波，彭道橫.超薄不銹鋼微激光焊接工藝的研究及應(yīng)用[J].現(xiàn)代焊接，2011（2）：38-41.

[8]羅小敏，任江偉.脈沖激光焊在薄板中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].熱加工工藝，2016，45（15）：6-9+14.